Elementos de Máquinas: Aula 1 - Fixação Roscada

ELEMENTOS DE MÁQUINAS AULA 1 Elementos fixação roscados Professor Prof Me Luiz Fernando Frezzatti Santiago ASSUNTOS ABORDADOS Elementos de fixação roscados 1Principais tipos de uniões entre elementos 2 Sistema básico de fixação roscado 3 Classificação geral das dimensões termologia características geométricas e especificação 4 Classe de resistência dos parafusos 5 Pontos críticos nas roscas 6 Précarga em parafusos Fi 7 Expressões para o cálculo da rigidez do parafuso e membros de ligação 8 Expressão para o cálculo do torque de aperto em parafusos ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Principais tipos de uniões Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha União de topo União de topo T União de topo cilíndrica Combinação entre uma união de topo e uma sobreposta União sobreposta simples União sobreposta dupla ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Principais tipos de uniões Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha União sobreposta cilíndrica União por flanges União por flanges cilíndrica União por flanges e sobreposta cilíndrica União sanduíche cilíndrica ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Principais tipos de uniões Kl Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha União de face União sanduíche direta União móveis Quase todos os tipos de uniões mostrados podem ser garantidos por fixadores roscados ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Sistema básico de fixação roscada Consiste em um elemento roscado externo macho tal como um parafuso parafuso de máquina ou prisioneiro montado em um elemento interno roscado de acoplamento fêmea como uma porca por exemplo Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Exemplos de configurações básicas Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Parafuso comum Parafuso de corpo reduzido Parafuso de máquina Parafuso prisioneiro Exemplo de uma conexão roscada ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Exemplos de acionamentos Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Exemplos de porcas contraporcas e arruelas Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Arru Plana Arru Pressão cônica Arru Pressão bipartida Arru Dentes externos Porca quadrada Porca sextavada chanf Porca sextavada com ressalto Porca travamento Porca flexível de travamento Porca castelo ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Classificação dos segundo o perfil do filete Os filetes das rosas podem variar de acordo com seu formato podendo ser Triangular Trapezoidal Redondo Quadrado Dente de serra ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Classificação das dimensões perfil triangular Roscas polegadas Roscas métricas Padrão Americano Padrão Inglês Paralelas Vedação UN UNF Unified National Fine UNC Unified National Standard NPT NATIONAL PIPE THREAD NPTF NATIONAL PIPE THREAD FUEL Paralelas Vedação Paralelas Cônicavedação BSW BRITISH STANDARD WHITWORTH BS BSF BRITISH STANDARD FINE BSPP BRITISH STANDARD PIPE PARALLEL BSPT BRITISH STANDARD PIPE TAPER ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Termologia de rosca Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Termologia de rosca Rosca UNC Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Termologia de rosca Rosca métrica Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS SÉRIES DE ROSCAS Roscas grossas passo normal Apresentam vantagem de uma rápida montagem ou desmontagem ou para reduzir a probabilidade de espanar a rosca no local nas quais parafusos são introduzidos em materiais macios como ferro fundido alumínio ou plásticos Roscas finas São usadas quando é necessário maior resistência do parafuso uma vez que com a redução do passo para um mesmo diâmetro nominal elevase o diâmetro da raiz As roscas finas tem menor tendência de desaperto sob vibração em relação a roscas grossas devido ao menor ângulo de avanço 𝜆 Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS RÍGIDOS Avanço de uma rosca L Fonte spool3dcanewsleadvspitch Rosca com 1 entrada N1 Rosca com 2 entradas N2 Rosca com 4 entradas N4 L N x P O avanço dependerá do número de entrada de uma rosca ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Exemplo de especificação Rosca padrão americano 38 16 UNC 2A 38 24 UNF 2A Rosca padrão métrico M10 x 15 2A M10 x 125 2A Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Classe de resistência Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Classe de resistência Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Classe de resistência Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Classe de resistência Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Pontos crítico e tensões nas roscas Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Pontos crítico e tensões nas roscas Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Ponto crítico A Diferente do parafuso de potência o ponto A normalmente é ignorado devido não haver movimentação relativa depois da montagem Portanto a abrasão não é um modo de falha aplicável em elemento de fixação roscados estático ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Pontos crítico e tensões nas roscas Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Ponto crítico B A análise se aproxima ao do parafuso de potência visto anteriormente exceto que a maior parte da torção é aliviada após o término do aperto Modos potenciais de falha Fadiga e escoamento Tensões que serão calculadas 𝜏𝑦𝑧 𝜏𝐵𝑇𝑚𝑎𝑥 Tensão cisalhamento devido ao torque aplicado no aperto 𝜏𝑥𝑧 𝜏𝐵𝑓𝑚𝑎𝑥 Tensão cisalhamento devido flexão do filete da rosca 𝜎𝑧 𝜎𝐵𝑚𝑎𝑥 Tensão normal no parafuso ELEMENTOS RÍGIDOS Ponto crítico B Modo de falha dominante escoamento e fadiga Os componentes de tensão nesse ponto serão Cisalhamento devido a torção Torque no corpo do parafuso Tensão normal no corpo do parafuso Tensão cisalhante transversal devido a flexão dos filetes Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝜏𝑦𝑧 𝜏𝐵𝑚𝑎𝑥 16𝑇𝑚𝑎𝑥 𝜋𝑑𝑟 3 Fp Força trativa no parafuso incluindo précarga 𝑟𝑟 𝑟𝑎𝑖𝑜 𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑖𝑧 𝑛𝑒 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑒𝑓𝑒𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑡𝑒 𝑛𝑎 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑟𝑜𝑠𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑎𝑑𝑎 p passo do parafuso 𝜎𝐵𝑚𝑎𝑥 4𝐹𝑝 𝜋𝑑𝑟 2 𝜏𝑥𝑧 𝜏𝐵𝑓𝑚𝑎𝑥 3𝐹 2𝜋𝑟𝑟𝑛𝑒𝑝 Fp Força trativa no parafuso incluindo précarga 𝑑𝑟 𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑖𝑧 Tmax Torque máximo aplicado no aperto 𝑑𝑟 𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑖𝑧 ELEMENTOS RÍGIDOS Ponto crítico B Modo de falha dominante escoamento e fadiga OBSERVAÇÕES Segundo Collins 2019 o espanamento dos filetes das roscas ocorrem quando as roscas machos falham por cisalhamento no diâmetro mínimo E para roscas fêmeas o espanamento ocorrerá no diâmetro maior Para roscas padronizadas se o parafuso e a porca são do mesmo material um comprimento de porca de pelo menos a metade do diâmetro nominal do parafuso produz uma falha trativa no parafuso antes do espanamento Porcas padronizadas tem um comprimento aproximadamente de 78 do diâmetro nominal do parafuso Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Pontos crítico e tensões nas roscas Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Ponto crítico C A análise se aproxima ao do parafuso de potência visto anteriormente Modos potenciais de falha Fadiga e escoamento Tensões serão calculadas 𝑘𝑓𝑠𝜏𝑦𝑧 𝑘𝑓𝑠𝜏𝐶𝑇𝑚𝑎𝑥 Tensão cisalhamento devido ao torque aplicado no aperto 𝑘𝑓𝜎𝑧 𝑘𝑓𝜎𝐶𝑚𝑎𝑥 Tensão normal no parafuso 𝑘𝑓𝜎𝑥 𝑘𝑓𝜎𝐶𝑏𝑚𝑎𝑥 Tensão normal máxima devido a flexão na rosca ELEMENTOS RÍGIDOS Ponto crítico C Modo de falha dominante escoamento e fadiga Com possibilidade de fratura frágil Cisalhamento devido a torção Torque no corpo do parafuso Tensão normal no corpo do parafuso Tensão normal devido a flexão dos filetes Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝑘𝑓𝑠𝜏𝑦𝑧 𝑘𝑓𝑠𝜏𝐶𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑓𝑠 16𝑇𝑚𝑎𝑥 𝜋𝑑𝑟 3 Fp Força trativa no parafuso incluindo précarga 𝑟𝑟 𝑟𝑎𝑖𝑜 𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑖𝑧 𝑟𝑝 𝑟𝑎𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑜 𝑟𝑎𝑖𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 𝑛𝑒 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑒𝑓𝑒𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑡𝑒 𝑛𝑎 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑟𝑜𝑠𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑎𝑑𝑎 p passo do parafuso 𝑘𝑓𝜎𝐶𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑓 4𝐹𝑝 𝜋𝑑𝑟 2 𝑘𝑓𝜎𝐶𝑏𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑓 12𝐹𝑃 𝑟𝑝 𝑟𝑟 𝜋𝑟𝑟𝑛𝑒𝑝2 Fp Força trativa no parafuso incluindo précarga 𝑑𝑟 𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑖𝑧 Tmax Torque máximo aplicado no aperto 𝑑𝑟 𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑖𝑧 Obs Cargas estáticas considerar 𝑘𝑓𝑠 𝑘𝑓 1 Cargas dinâmicas fadiga 𝑘𝑓𝑠 𝑘𝑓 1 ELEMENTOS RÍGIDOS Ponto crítico C Modo de falha dominante escoamento e fadiga Com possibilidade de fratura frágil OBSERVAÇÕES Segundo Collins 2019 os fatores de concentração de tensão teóricos na rosca Kt variam cerca de 27 a 67 Para aços de baixo carbono Grau 1 o valor de sensibilidade ao entalhe q está por volta de 07 dessa forma os fatores de concentração de tensão a fadiga Kf estão por volta de 22 a 5 Assim um valor preliminar para Kf pede ser considerado igual a 35 Segundo Collins 2019 para carregamentos estáticos e parafuso de de material dúctil caso usual um fator de concentração de tensão unitário geralmente é adotado Para o cálculo do número efetivo de filetes ne é assumido que ne3 Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Pontos crítico e tensões nas roscas Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Ponto crítico D Modos potenciais de falha Fadiga e escoamento Tensões serão calculadas 𝜏𝑦𝑧 𝜏𝐷𝑚𝑎𝑥 Tensão cisalhamento devido a força 𝐹𝑠 𝜎𝑧 𝜎𝑡𝐷𝑚𝑎𝑥 Tensão normal no parafuso devido a carga 𝐹𝑝 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Ponto crítico D Modo de falha dominante escoamento e fadiga Cisalhamento direto devido a carga Fs Tensão normal no corpo do parafuso Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝜏𝑦𝑧 𝜏𝐷𝑚𝑎𝑥 16𝐹𝑠 3𝜋𝑑𝑐2 𝜎𝐷𝑚𝑎𝑥 4𝐹𝑝 𝜋𝑑𝑟 2 Fp Força trativa no parafuso incluindo précarga 𝑑𝑐 𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜 𝐹𝑠 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑛𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜 𝑑𝑐 𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Précarga em parafusos Fi Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Tração do parafuso Aperto inicial Fi da porta induz uma tração no parafuso e uma compressão nos elementos 1 e 2 Compressão do membro 2 Compressão do membro 1 Précarga gera tensões iniciais no parafuso antes da aplicação dos carregamento externo P ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Précarga em parafusos Fi e Força de separação da junta P Fonte NORTON Robert L Projeto de máquinas uma abordagem ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Sistema Parafuso membros se comportam como um sistema de mola em paralelo Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝑃𝑝 𝑘𝑝 𝑘𝑝𝑘𝑚 P 𝑘𝑝 𝑃𝑝 Pm 𝑘𝑚 𝑘𝑝𝑘𝑚 P ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Força resultante nos parafusos Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝑖 𝐹𝑅𝑃 𝑃𝑝 𝐹𝑖 𝑘𝑝 𝑘𝑝𝑘𝑚 P 𝐹𝑖 𝑖𝑖 𝐹𝑅𝑚 𝑃𝑚 𝐹𝑖 𝑘𝑚 𝑘𝑝𝑘𝑚 P 𝐹𝑖 Força resultante no parafuso Força resultante nos membros Obs A précarga inicial 𝐹𝑖 induzida pelo aperto do parafuso deve ser grande o suficiente para que os componente unidos não se separem sob o carregamento de operação P caso contrário o parafuso irá suportar sozinho a carga P Comum assumir um valor de 75 do escoamento ou a 85 da tensão de prova para especificar a précarga Fi para o aperto dos membros juntas ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Fator de rigidez da junta Fazendo 𝐹𝑅𝑚 0 obtemos a força mínima 𝑃0 para que não haja a separação da junta de ligação Coeficiente de segurança para não haver a separação falha da junta Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝑖 𝐹𝑅𝑝 CP 𝐹𝑖 𝑖𝑖 𝐹𝑅𝑚 1CP 𝐹𝑖 Fazendo C 𝑘𝑝 𝑘𝑝𝑘𝑚 e 1C 𝑘𝑚 𝑘𝑝𝑘𝑚 𝑃0 𝐹𝑖 1 𝐶 𝑁 𝐹𝑖 𝑃1 𝐶 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Exemplo 01 Uma união aparafusada mostrada na figura abaixo foi apertada pela aplicação de um torque à porca para produzir uma pré carga axial inicial de 1000 lbf no parafuso de aço 38 in 16 UNC Grau 1 A força externa de separação na montagem aparafusada deve ser 1200 lbf Os flange de fixação da carcaça de aço possuem espessura de ¾ in e foram estimados para rigidez para serem 3x maior que a rigidez dos parafusos na axial a Encontre a força resultante no parafuso e no flange de fixação quando a carga externa de 1200 lbf é totalmente aplicada à união précarregada b Os componentes flanges se separarão em contato com a carga P total Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Determinação da rigidez do parafuso 𝒌𝒑 Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica 𝑙𝑡 Comprimento da porção rosqueada de agarre 𝑙𝑡 𝑙𝑑 Comprimento da porção não rosqueada de agarre 𝑙𝑑 Área do diâmetro maior 𝐴𝑑 𝐴𝑑 𝜋𝑑2 4 𝑑 Área sub tração 𝐴𝑡 VER TABELA 131 E 132 Média entre a área do diâmetro primitivo e a área do diâmetro da raiz A rigidez de um parafuso com rosca parcial geralmente é considerada em duas partes Cálculo da rigidez do parafuso kpkb E módulo de elasticidade ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Determinação da rigidez do parafuso 𝒌𝒑 Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica Área sub tração 𝐴𝑡 VER TABELA 131 E 132 Média entre a área do diâmetro primitivo e a área do diâmetro da raiz Cálculo da rigidez do parafuso kpkt E módulo de elasticidade Comprimento da porção rosqueada de agarre 𝑙𝑡 Comprimento da porção não rosqueada de agarre 𝑙𝑑 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica Informações complementares ao slide anterior livro Shingley pag 478 ed 8 1 2 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Determinação da rigidez do membro 𝒌𝒎 De acorod Budynas 2011 a rigidez dos membros é obtida através de experimentação porque a compressão se expalha entre a cabeça do parafuso e a porca de modo que a área não fica uniforme para cálculo da deformação Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica Fonte NORTON Robert L Projeto de máquinas uma abordagem integrada Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Determinação da rigidez do membro 𝒌𝒎 De acordo com Budynas 2011 utilizase o método tronco de cone frostum ou cone de pressão de Rotscher com um ângulo recomendado 𝛼 30 fixo para o cálculo da rigidez k dos membros Ver figura abaixo Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica t Espessura do membro l Comprimento de agarre efetivo Emodulo de elasticidade do membro Ddiâmetro da base menor do cone ddiâmetro externo do parafuso Fonte Ver dedução da expressão na página 440 livro Shigley ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Determinação da rigidez do membro 𝒌𝒎 Exemplo Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica t Espessura do membro l Comprimento de agarre efetivo Emodulo de elasticidade do membro Ddiâmetro da base menor do cone ddiâmetro externo do parafuso ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Exemplo 02 Determine a constante de rigidez do parafuso kp e dos membros de ligação km assim como a força no parafuso e no membro para a união mostrada na figura abaixo O parafuso aço 38 in 16 UNC Grau 1 foi apertado pela aplicação de um torque para produzir uma pré carga axial inicial de 1000 lbf A força externa de separação na montagem aparafusada deve ser 1200 lbf Estática Os flanges de fixação da carcaça de aço possuem espessura de ¾ in Considere módulo de elasticidade do aço 30 Mpsi Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Torque de aperto do parafuso De acordo com Collins 2019 para obter os máximos benefícios do précarregamento é essencial que a pré carga inicial especificada pelo projeto realmente seja induzida no parafuso no processo de aperto O método mais exato para induzir uma précarga axial desejada envolve a medição direta da deformação elástica produzida pela força no parafuso Método lento e caro Um método mais conveniente porem menos preciso de induzir précarga desejada é aplicar um torque medido na porca ou na cabeça do parafuso usando um torquímetro Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica Torque de aperto do parafuso Assumindo que TiTRt é o torque inicial para induzir a précarga e FiF no parafuso Aproximando o diâmetro médio dm do parafuso para o diâmetro externo d assim como o diâmetro médio do colar dc para 125d substituímos na equação I para obtermos a equação II e III ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica 𝑇𝑅𝑡 𝐹𝑑𝑚 2 𝑙 cos 𝛼 𝜋𝑓𝑑𝑚 𝜋𝑑𝑚 cos 𝛼 𝑓𝑙 𝐹𝑓𝑐𝑑𝑐 2 I II 𝑇𝑖 𝐹𝑖𝑑 2 𝑙 cos 𝛼 𝜋𝑓𝑑𝑚 𝜋𝑑𝑚 cos 𝛼 𝑓𝑙 𝐹𝑖𝑓𝑐125𝑑 2 III 𝑇𝑖 1 2 𝑙 cos 𝛼 𝜋𝑓𝑑𝑚 𝜋𝑑𝑚 cos 𝛼 𝑓𝑙 0625𝑓𝑐 𝐹𝑖𝑑 Torque de aperto do parafuso Assumindo o atrito na rosca e no colar igual a 015 obtémse um valor médio KT 02 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica III 𝑇𝑖 1 2 𝑙 cos 𝛼 𝜋𝑓𝑑𝑚 𝜋𝑑𝑚 cos 𝛼 𝑓𝑙 0625𝑓𝑐 𝐹𝑖𝑑 Coeficiente de torque KT 𝑇𝑖 𝐾𝑇𝐹𝑖𝑑 VI Budynas 2011 sugere alguns valores do coeficiente K para diferentes condições dos parafusos ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Exemplo 03 A junta aparafusada mostrada na figura abaixo deve suportar uma força externa de F10kN estática Para um projeto preliminar parafusos da classe 46 foram especificados e uma estimativa inicial indica que se pode considerar km4kp É preciso que a tensão máxima na raiz seja inferior a 70 da resistência ao escoamento mínimo do parafuso e que a junta não se separe Determine o valor mínimo de précarga no parafuso para garantir que a junta não se separe o torque necessário considerando k02 e defina o diâmetro mínimo necessário para a classe de parafuso especificada Considerar um estado uniaxial de tensão para o pré dimensionamento fator para não separação da junta N20 Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Parafusos précarregados sob carga dinâmica De acordo com Norton 2013 a précarga é ainda mais importante em uniões carregadas dinamicamente que em juntas carregadas estaticamente Por quê ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Fonte NORTON Robert L Projeto de máquinas uma abordagem integrada Fonte Norton Projeto de elementos de máquina Parafusos précarregados sob carga dinâmica Parâmetros para os cálculos dos esforços obs Considerando um estado uniaxial de tensão para o dimensionamento ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Fonte NORTON Robert L Projeto de máquinas uma abordagem integrada Força e tensão alternada Força e tensão média 𝑘𝑓 e 𝑘𝑓𝑚 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑎 𝑓𝑎𝑑𝑖𝑔𝑎 e 𝐴𝑡 é de resistência a tração do parafuso Para parafusos Norton 2013 sugere para o cálculo de kf e kfm Parafusos précarregados sob carga dinâmica Budynas 2011 sugere alguns valores de limite por fadiga Se para algumas classes de parafuso obs Roscas laminadas Para roscas que não sejam laminadas devese usar métodos de redução vistos anteriormente para estimarmos a resistência a fadiga ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica Parafusos précarregados sob carga dinâmica Coeficiente de segurança a fadiga Nf relacionado a falha por fadiga referente a linha de Goodman modificado Coeficiente de segurança relacionado a falha por escoamento Ny estático ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Fonte BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica 𝑆𝑒 é 𝑜 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑓𝑎𝑑𝑖𝑔𝑎 𝑆𝑢𝑙𝑡 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑢𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝜎𝑚 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝜎𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎 𝜎𝑖 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟é 𝑔𝑎𝑟𝑎𝑔𝑎 𝑆𝑦 é 𝑜 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝜎𝑏 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑛𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑙𝑢𝑖𝑛𝑑𝑜 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟é 𝑐𝑎𝑔𝑎 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Verificação por tensão equivalente referente ao modelo de Goodman modifico 𝜎𝑚 0 Fonte COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha 𝑆𝑒𝑞 𝜎𝑎 1 𝜎𝑚 𝑆𝑢𝑙𝑡 𝑉𝑒𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎çã𝑜 𝑓𝑒𝑖𝑡𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝐶𝑜𝑙𝑙𝑖𝑛𝑠 2006 𝜎𝑚 0 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝑆𝑦 𝑜𝑢 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜎𝑚 𝜎𝑎 𝑆𝑦 𝑆𝑒𝑞 𝑆𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎çã𝑜 ELEMENTOS DE FIXAÇÃO ROSCADOS Exemplo 04 Para um parafuso 516 18 UNC 2A que compõem uma junta de aço com respectiva rigidez kb1059 M lbfin e km 1063 M lbfin uma carga externa varia de 0 a 2000 lbf Figura abaixo Para uma précarga de 90 da resistência de prova determine a Coeficiente de segurança a fadiga para um estado uniaxial de tensão bCoeficiente de separação da junta c Coeficiente de falha estática por escoamento Considere Se26ksi Fonte NORTON Robert L Projeto de máquinas uma abordagem integrada BIBLIOGRAFIA BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica 8 ed Porto Alegre AMGH 2011 1084 p MELCONIAN Sarkis Elementos de máquinas9 ed rev São Paulo Livros Érica 2008 376 p ISBN 9788571947030 COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Rio de Janeiro LTC c2006 xx 740 p ISBN 9788521614753 NORTON Robert L Projeto de máquinas uma abordagem integrada 4 ed Porto Alegre Bookman 2013 1028 p ISBN 9788582600221 MOTT Robert L Elementos de máquina em projetos mecânicos 5 ed São Paulo Pearson 2015